军用飞机机载设备振动试验要求和有关问题的讨论（一）：GJB 150.16/16A军用喷气式飞机和螺旋桨式飞机机载设备和外挂的振动试验要求及对比分析

祝耀昌，石鹏颉，程丛高，张建军，徐 俊（. 中国航空综合技术研究所 北京 0008；. 西安西测电子技术服务有限公司 西安 709）



军用飞机机载设备振动试验要求和有关问题的讨论（一）：GJB 150.16/16A军用喷气式飞机和螺旋桨式飞机机载设备和外挂的振动试验要求及对比分析

祝耀昌1，石鹏颉2，程丛高1，张建军1，徐 俊1
（1. 中国航空综合技术研究所 北京 100028；2. 西安西测电子技术服务有限公司 西安 710119）

摘要：文章分为3部分：第1部分简单介绍振动类型、振动引起的失效模式和应用，特别是列表详细介绍了GJB 150.16和GJB 150.16A中规定或推荐的军用喷气式飞机和螺旋桨飞机设备及其外挂与外挂上的设备的振动试验要求、特点和两标准相关内容的对比分析；第2部分则详细介绍了两标准中规定或推荐的军用直升机和各类飞机发动机设备的振动试验要求、特点以及相关内容的对比分析；第3部分介绍和分析了航空装备研制生产中这2个标准的应用情况和遇到的问题，并就一些重大问题进行了分析概括并提出了一些看法和建议。

此为第1部分。

关键词：振动试验；振动功能试验；振动耐久试验；标准

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0　引言

不管是一次使用还是重复使用的产品，在其寿命周期内往往会多次反复、并以不同的次序先后处于贮存、运输和使用3种状态。不同的状态往往又暴露于不同的环境中，经受不同环境的作用。温度、振动和湿度是最常遇见、且造成产品的故障最多的环境因素。有统计数据表明：在产品故障中有52%是由环境作用引起的，而在这52%的故障中，由温度因素引起的故障占40%，振动占27%，湿度占19%。可见这3种环境因素对产品寿命产生重要的影响。

振动是一种产品处于运输状态和使用（工作）状态时的诱发环境，由运输工具运动或产品本身工作和运动造成，如平台运动，发动机、发电机工作，气动扰流和噪声，武器发射，甚至强电流噪声等。振源的不同造成不同类型的振动，如表1所示。

表1　典型振动类型及其振源Table 1　The typical types of vibrations and their sources

1　振动试验应用及相关试验参数

1.1振动试验的用途

任何产品的研制生产中都离不开振动试验，如在可靠性试验、环境应力筛选（ESS）和环境试验中，振动试验都是不可或缺的项目。

环境试验在产品研制和生产的不同阶段有不同的目的和用途：在研制阶段，用于激发和揭示产品的设计工艺缺陷，为产品设计人员改进设计、提高产品环境适应性和可靠性提供信息；在飞行器首飞和定型阶段，用于初步验证或验证产品的环境适应性和可靠性是否满足规定的要求，为产品定型提供决策依据；在批生产阶段，开展ESS和例行试验，剔除早期故障，或验证批生产的产品是否还保持应有的环境适应性和可靠性，为批生产产品的验收提供决策依据。在这些试验中，振动试验均是必须进行的试验项目。因此产品的研制合同或成品协议书中均规定了相应的振动试验要求。

目前，对航空军工产品来说，振动试验要求一般都是根据GJB 150.16[1]和GJB 150.16A[2]中的规定确定。

1.2振动试验条件表征参数

振动试验的环境条件一般包括频率、振动量值和振动持续时间。对于正弦振动来说，振动量值用振幅（低频段）和加速度（高频段）分别表示；对于随机振动来说，振动量值一般用功率谱密度和加速度均方根值表示。根据振动试验的具体目的，将考核或验证受试产品功能和性能在振动应力作用下和作用后是否满足规定要求的振动试验称为振动功能试验；将考核或验证受试产品的结构在振动应力作用下和作用后是否仍保持完整而不被破坏的试验称为振动耐久试验。振动功能试验在应力施加同时受试产品应处于工作状态，并检测其功能和性能，看其是否满足规定的要求。振动耐久试验则在施加振动应力时，受试产品不工作，不检测其功能和性能，振动结束以后才对其结构进行检查，并检测其功能和性能是否满足要求。

两标准对这2种试验的谱型、应力量值及振动持续时间都有明确规定或推荐了相关的计算和确定方法。

2　军用喷气式飞机机载设备和战术导弹上设备的振动

2.1振动谱

表2（附于文后）将固定翼喷气式飞机分为战斗机，以及运输机、轰炸机2个类别，并将战术导弹单独列出。对于使用航空喷气式发动机作为动力装置的战术导弹，其设备的振动振源与喷气式飞机机载设备的相同，而且都是仅考虑发动机噪声以及飞行器结构外部的气动扰流，它们的振动谱型是一样的。表2中的图A是GJB 150.16中提供的振动谱，图B是GJB 150.16A中提供的振动谱，可以看出这2个谱型的形式完全一样。其共同特点是低频段振动量值w1为确定值（0.04g2/Hz），而高频段振动量值w0需要根据飞机和发动机参数进行计算确定，不能给出具体值。GJB 150.16A（图B）中还对飞机座舱内仪表板上的设备单独给出了振动谱，该振动谱的基本形状与其他设备的一样，只是低频段振动量值为0.01g2/Hz（比其他设备振动量值0.04g2/Hz下降了6dB）；其高频段振动量值也应通过计算确定，是其他设备高频段振动量值计算值的1/4（即下降6dB）。

振动功能试验和振动耐久试验的谱型是一样的。

2.2振动量值和持续时间

2.2.1振动功能试验

2.2.1.1功能试验量值

1）一般设备的振动量值

喷气式飞机和战术导弹上设备的振动源包括：发动机噪声，气动湍流，敞开的武器舱内的气动湍流和声学共振，机动飞行、气动抖振、着陆和滑行等引起的机体结构运动。振动的特点是宽带随机振动[3]。机载设备本身也会产生振动，但这些振动通常只对振源区或振源附近局部有影响，甚至可能在这些局部区域内也无明显影响。

振动试验标准只考虑发动机噪声和气动扰流引起的振动。发动机噪声引起的振动通常是低动压飞行（即局限在低空亚声速或高空跨声速飞行）的飞机上的主要振动；气动扰流诱发的振动通常是低空跨声速飞行或任何高度上超声速飞行的飞机上的主要振动。前者与设备离发动机声源的距离和方位，发动机喷流速度和尾喷口的直径，以及发动机是否加力等因素有关；后者则和飞行速压直接有关。

两标准均给出这2种振源引起的振动量值的计算公式，要注意的是2个标准中的计算公式实质上是一样的，但形式上略有差别。例如GJB 150.16A中将产品质量和加力燃烧室的影响因子直接纳入振动量值计算公式，而GJB 150.16中则是按公式计算出振动值后再乘以一个系数。振动试验时，先根据标准中的相应公式计算出2种振源的振动量值，再取其包络作为试验取值。

虽然这2种振源同时作用在飞机上，但应按2种振源的定义进行量值处理。2个标准中，对于一般设备的振动量值，低频段w1均规定为0.04g2/Hz，高频段w0都是根据标准中提供的公式计算，因此基本是一样的。

2）仪表板上设备的振动量值

对于仪表板上设备的振动量值，GJB 150.16规定，将表2图A中低频段的0.04g2/Hz降低3dB，即0.02g2/Hz；高频段则为公式计算值的1/4（即降低6dB）。

GJB 150.16A则直接将低频段的振动量值规定为0.01g2/Hz；高频段在标准中没有说明，但由于仪表板具有减振的作用，其高频段至少应和GJB 150.16中规定的一样，即为公式计算值的1/4。

3）利用重量衰减因子修正振动量值的方法

受试产品质量与平台质量相比较大时，会使整个系统的频率降低并改变振型；受试产品质量与平台质量相比较小但与平台上支撑结构的质量相比较大时，会使受试产品局部振动量级发生变化。安装在喷气式飞机上的装备基本上属于后者。因此对于质量较大的装备，两标准均提出了重量衰减因子，将振动量级适当降低。

GJB 150.16中给出了衰减量与设备质量关系的曲线，如表2中图C所示。从图C中可以看出：设备质量在36kg及以下时，不必进行衰减，因为此时设备质量对于振动量值的影响不大；72kg及以上时，振动量值应降低6dB；在36～72kg之间时，则按图C中的曲线确定要降低的分贝数，显然，当设备质量处于该范围区间时，确定振动量值的方法的可操作性较差。

GJB 150.16A中，36kg以下和72kg以上设备的振动量值衰减量与GJB 150.16的相同；当设备质量W在36～72kg之间时，提供质量因子计算公式为a=1.0×10(0.6−W/60)。显然，GJB 150.16A的可操作性比GJB 150.16要好，但两者的效果是一样的。

4）战术导弹上设备的振动

战术导弹上设备的振动功能试验量值，其低频段量级如表2中图A所示，为0.04g2/Hz，高频段则使用与载机平台相同的计算公式计算。如前所述，两标准中的公式有些不同，但本质上是一样的。

2.2.1.2功能试验持续时间

GJB 150.16中明确规定振动功能试验的持续时间为1h。喷气式飞机、运输机和轰炸机的机载设备无论处于机上什么位置，试验持续时间均为1h；对于战术导弹上的设备，则为5min。因为战术导弹的飞行时间很短，以秒计，5min的试验时间是足够的。

2.2.2振动耐久试验

振动耐久试验是一种加速试验，试验时间除与寿命期内总振动时间和被加速的振动量值相关外，还与加速因子有关。

1）GJB 150.16中规定：机载设备振动耐久试验量值为振动功能试验量值的1.6倍时，每装机飞行500h，每轴向均需振动2.5h，即振动耐久试验时间取决于安全的装机飞行时间的长短；战术导弹的振动耐久试验量值为振动功能试验量值的2倍时，每个轴向振动5min。

2）GJB 150.16A中不区分振动功能试验和振动耐久试验，为了保证机载设备在装机飞行期间不产生累积疲劳损坏，可以将全寿命期内各个量值的振动及其持续时间用标准中提供的公式折算为振动功能试验量值和时间后进行试验。GJB 150.16A中未对战术导弹是否进行耐久试验做出明确规定。

3　喷气式飞机组合式外挂和外挂上设备的振动

飞机外挂任务剖面的特点是包括挂飞和自由飞2个阶段，挂飞阶段外挂又会经受飞机一般性飞行和机动飞行造成的2种振动环境。

表2给出了军用喷气式飞机设备振动试验的谱型、量值和持续时间[1-2]。

3.1喷气式飞机组合式外挂的振动

3.1.1挂飞和自由飞

1）振动谱

表2中的图D为组合式外挂的挂飞和自由飞振动谱，图E为机动飞行振动谱，它们分别是2个标准给出的挂飞和自由飞振动谱，其谱型是一样的。由于外挂试验的重点是考核结构，高频段考核并不重要，所以振动谱中没有高频部分。模拟外挂挂飞和自由飞的振动功能试验和振动耐久试验谱型相同。

2）振动功能试验

GJB 150.16的正文和GJB 150.16A的附录C的表c.5分别给出了试验量值w1和w2的计算方法，但计算方法有一些差别，例如GJB 150.16A在计算公式中增加了随马赫数范围变化的调节系数k0。关于振动功能试验持续时间，GJB 150.16中明确规定挂飞振动功能试验时间为每方向1h，自由飞则为每方向30s。如前所述，GJB 150.16A不区分振动功能和振动耐久试验，因此也不再对振动功能试验时间做明确规定，仅规定了按寿命期剖面确定振动试验时间。

3）振动耐久试验

振动耐久试验的谱型与功能试验是一样的，只是振动量值（w1和w2）要放大。对于外挂挂飞来说，振动耐久试验量值为振动功能试验量值的1.6倍，试验时间按装机飞行时间计算，每装机飞行150h，则每轴向振动46min。自由飞是一个很短的过程，不考虑振动耐久试验。GJB 150.16A要求将其全寿命期内各种振动量值中某一个量值作为振动功能/耐久试验量值，并折算出对应于该量值的试验持续时间。

3.1.2机动飞行

1）振动谱

2个标准均提供了机动飞行的谱型，如表2中图E所示。从图E可以看出，GJB 150.16提供的是三角形谱，频率范围为20～100Hz；而GJB 150.16A提供的是梯形谱，频率范围为10～100Hz。

2）振动功能试验

从图E可以看出，振动谱上直接规定了功能试验量值。2个标准的w1均为0.01g2/Hz。GJB 150.16 的w0为2.0g2/Hz，GJB 150.16A的w0则是按外挂不同部位给出不同的量值：外挂的前伸部和尾部为2.0g2/Hz，外挂的中心线上为0.5g2/Hz，其他位置用线性插值法进行计算。由于是梯形谱，当一阶频率小于50Hz时，GJB 150.16A的振动量值要比GJB 150.16的大。振动功能试验持续时间为每挂飞150h，每轴向振动10min。

3）振动耐久试验

机动飞行时间很短，不必考虑振动耐久试验。

3.2喷气式飞机外挂设备上的振动

安装在外挂上的设备主要经受外挂挂飞响应的宽带随机谱，其试验量值和组合式外挂试验量值的响应值是一样的。即外挂的响应就是安装在外挂上设备的振动输入。如果外挂有机动飞行和自由飞行的2种状态，装在外挂上的设备也应有相应的振动试验谱，应按输入控制方式做振动试验。

3.2.1挂飞和自由飞

1）振动谱

2个标准给出了同样谱型，如图D和图E所示。可以看出这一谱型与外挂的谱型是不一样的，频率范围扩大到2000Hz，并增加高频段的振动。这是因为外挂试验主要考虑外挂结构的振动，低频部分是主要的，而外挂内设备的考核还必须考虑高频段的影响。振动功能试验和振动耐久试验的谱型是一样的。

2）振动功能试验

振动谱中的频率和量值（w1和w2）均可按GJB 150.16正文和GJB 150.16A附录C中的外挂振动计算公式进行计算。

对于振动试验持续时间，GJB 150.16中规定：挂飞状态的功能试验持续时间为1h；自由飞状态需≥30s。GJB 150.16A中则根据寿命期剖面确定，即将各振动量值对应的时间，归纳到某一量值及对应于此量值的等效时间。

3）振动耐久试验

GJB 150.16规定，挂飞状态的振动耐久试验量值是振动功能试验量值的1.6倍，持续时间为在这一量值下每装机飞行150h，每轴向振动46min。GJB 150.16A的基本做法如前所述。

对于自由飞来说，由于时间短，不必考虑振动耐久试验。

3.2.2机动飞行

1）振动谱

如前所述，机动飞行的振动谱参见表2中图E所示。

2）振动功能试验

GJB 150.16规定w1为0.01g2/Hz，w2为2.0g2/Hz；但GJB 150.16A中的振动试验量值规定得不具体，其w2根据设备在外挂上位置确定，外挂前伸部和尾部为2.0g2/Hz，中心线上为0.5g2/Hz，其他位置用线性插值法计算。从图E可知，如果一阶共振频率低于50Hz，则振动的加速度均方根值要大于GJB 150.16所规定的量值。

GJB 150.16中规定振动功能试验的试验持续时间为每挂飞150h，每轴向振动10min。GJB 150.16A中规定只有在没有实测数据时才按其图c.13提供的谱型和量值进行试验，试验时间则按寿命期剖面确定。

3）振动耐久试验

机动飞行时间很短，不必考虑振动耐久试验。

4　军用螺旋桨式飞机机载设备的振动

螺旋桨飞机上设备的振动主要是由螺旋桨转动诱发的。螺旋桨转速一般是恒定的，其产生的尖峰频率也是固定的，但转速存在少量漂移，故而尖峰有一定带宽，并非纯粹的正弦振动。装备在飞机上的安装和制造过程会有些微差异，以及飞机本身共振频率的差异也会导致尖峰频率具有一定带宽。如果工作时螺旋桨速度是变化的，这些尖峰的带宽应包括螺旋桨速度变化时引起频率变化的范围。

低性能的螺旋桨飞机，其宽带随机振动量值是非常小的，基本上是正弦振动环境，此时最好采用正弦振动进行振源驻留模拟试验。设计装备时应使其振动模态不与激励尖峰重合，把尖峰之间的低谷作为装备振动模态的安全区，特别是要确保隔振频率不与尖峰频率重合。进行振源驻留试验可以考核装备的设计是否使共振模态避开了尖峰频率，从而保证装备不会因承受尖峰过应力而被破坏。

表3（附于文后）列出了军用螺旋桨式飞机设备振动试验的谱型、量值和持续时间[1-2]。

4.1振动谱

振动谱型如表3中的图G所示，是由一个频率范围为15～2000Hz的宽带背景谱叠加一些窄带峰组成，其中背景谱由各种不同的随机振源产生，包括随机流场湍流，以及发动机、齿轮箱和旋转轴等机械旋转运动引起的低量级准正弦振动；窄带峰是由螺旋桨桨叶旋转压力场产生，其频带较宽，主要集中在螺旋桨的通过频率及其谐振频率上。两标准给出的谱型是一样的。

4.2振动量值和振动时间

4.2.1振动功能试验

1）GJB 150.16分别给螺旋桨之前机身或机翼内的设备和螺旋桨之后机身或机翼内的设备规定了振动量值，其宽带随机部分的w0都是0.01g2/Hz，但一阶峰值量值L1则分别为0.1g2/Hz和0.3g2/Hz。表明螺旋桨之后机身或机翼内设备应经受更大的峰值振动。GJB 150.16规定功能振动试验时间为每轴向1h。

2）GJB 150.16A中一再强调首先使用实测数据，但其规范性附录C中的表c.2也给出了推荐的振动峰值L0的量值以供无实测数据时使用。其螺旋桨前、后机身或机翼内设备的量值与GJB 150.16规定的是一致的，但增加并规定了位于螺旋桨旋转平面的1个桨叶半径内的设备的峰值L1为1.2g2/Hz；而且明确安装在外表的设备的试验量值要增大3dB。

GJB 150.16A不区分振动功能试验和振动耐久试验。但如果仅进行振动功能试验，则试验时间为1h或性能测试所需的时间，且以时间长者为准。

4.2.2振动耐久试验

1）GJB 150.16中规定：振动耐久试验量值为振动功能试验量值的1.6倍（如表3所示）；振动耐久试验时间为每装机飞行500h，每个轴向振动1h，比喷气式飞机的2.5h要短得多。这说明螺旋桨式飞机上设备经受的振动疲劳累积损伤要远小于喷气式飞机上设备的。

2）GJB 150.16A不区分振动功能和振动耐久试验，仅推荐振动试验量值确定方法，其持续时间应从寿命期剖面中选取。若要考虑装备的耐久能力，则应将寿命期剖面中的各阶段的振动量值下的持续时间折算为确定的振动量值下的等效时间，并按该量值和时间进行试验。

5　螺旋桨式飞机组合外挂和外挂上设备的振动

1）GJB 150.16中对此没有任何规定。

2）GJB 150.16A虽然单独列出了这一类，但没有这种飞机上外挂的通用指南和测量数据，原因是这类飞机携带外挂的情况不多。但该标准明确指出，由于激励源相同，外挂上的振动与载机振动相似，机动性能高的螺旋桨式飞机上外挂的机动飞行抖振应与喷气式飞机外挂所承受的机动飞行抖振相似。因此，可参考螺旋桨载机的振动确定其外挂及外挂上设备在挂飞和自由飞时的振动试验的谱型和量值；可参考喷气式飞机的振动确定其外挂及外挂上设备在机动飞行时的谱型和量值。

（未完待续）

参考文献（References）

[1] GJB 150.16—1986 军用设备环境试验方法 振动试验[S]

[2] GJB 150.16A—2009 军用装备实验室环境方法第16部分 振动试验[S]

[3] 徐明. 确定振动耐久试验量值和持续时间方法的讨论[C]//2001年中国航空学会环境工程学会学术年会文集. 北京, 2001-08-01: 122-136

（编辑：张艳艳）

表2　军用喷气式飞机设备振动试验谱型、量值和持续时间一览表Table 2Vibration testing spectrum,magnitude and duration of military jet equipment

表2　（续）

表3　军用螺旋桨式飞机设备振动试验谱型、量值和持续时间一览表Table 3　Vibration spectrum, magnitude and duration of military aircraft propeller

The vibration testing requirements and related problems for military aircraft equipment(I): Vibration testing requirements and comparison of airborne equipment and external hanging of military jet and propeller aircraft in GJB 150.16/16A

Zhu Yaochang1, Shi Pengjie2, Cheng Conggao1, Zhang Jianjun1, Xu Jun1
(1. China Aero-polytechnology Establishment, Beijing 100028, China; 2. Xi’an XiCe Electronic Technology Service Co. Ltd., Xi’an 710119, China)

Abstract:The paper is divided into three parts: the first part introduces the vibration types, the failure modes caused by the vibration and their applications, with emphasis on the vibration testing requirements and the characteristics of equipment and stores in military jet and propeller aircraft in detail, recommended in GJB 150.16 and GJB 150.16A, and the related contents in GJB 150.16/16A are compared and analyzed. The second part introduces the vibration testing requirements and characteristics of military helicopter and kinds of engine equipment in detail, recommended in GJB 150.16 and GJB 150.16A, and the related contents in GJB 150.16/16A are compared and analyzed. At last, the applications of and problems with the two standards in the aviation equipment development and production are introduced and analyzed in the third part, and some suggestions are made.

This is the first part.

Key words:vibration testing; vibration function testing; vibration durable testing; standard

作者简介：祝耀昌(1941—)，男，研究员，博士生导师，主要从事产品环境工程，实验室环境试验和可靠性试验技术研究及其相关标准的制定工作。E-mail: 13659826730@163.com。

收稿日期：2016-01-06；修回日期：2016-03-10

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.003

中图分类号：V216.2+1

文献标志码：A

文章编号：1673-1379(2016)02-0127-09